Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

— г д

5

В методе ядерной индукции образец помещают в две скрещенные катушки. Образец с катушками помещается между полюсами магнита. Оси катушек перпендикулярны друг другу, и каждая из нихперпендикулярна к направлению постоянного магнитного поля.

Под действием высокочастотного поля одной катушки в образце индуцируется вектор высокочастотной ядерной намагниченности. Он в свою очередь индуцирует э. д. с. в цепи второй катушки. Этот сигнал усиливается и поступает на экран осциллографа. Так как оси катушек

Источнии тона, 50 гц

Рис. 3.5. Схема экспериментальной установки Блоха, Хансона и Пакарда для наблюдения ядерного магнитного резо­ нанса:

108

взаимно перпендикулярны, то нет непосредственного воздействия ра­ диочастотного поля одной катушки на другую.

На рис. 3.5 приведена принципиальная ^схема метода ядерной ин­ дукции. Справа на этом же рисунке показаны направления ориента­ ции катушек и постоянного магнитного поля.

Две катушки отличают метод ядерной индукции от метода ядерного магнитного резонанса, в котором имеется одна катушка, выполняющая те же функции, что две скрещенные катушки в методе ядерной индук­ ции. По своим возможностям, однако, эти два метода мало отличаются, и вопрос о том, какой из них следует применить, определяется конкрет­ ной задачей. Так, при низких температурах крайне желательна про­ стота устройства, помещаемого в криостат. Поэтому там удобнее однокатушечное устройство, ибо внутрь криостата помещается одна катушка

сдвумя выводами. В случае использования метода ядерной индукции при низких температурах в криостат нужно помещать уже две катушки

скомпенсирующим устройством и, по крайней мере, стремя выводами.

Единственное существенное преимущество метода ядерной индук­ ции — это возможность определять не только величину, но и знак ядер­ ного момента. Другие методы ядерного магнитного резонанса такой возможности не дают.

§ 3.10. Спиновое эхо

Хан теоретически рассчитал и экспериментально обнаружил, как действуют два коротких высокочастотных импульса на спиновую си­ стему. Обнаруженный им эффект носит название «спиновое эхо» и за­ ключается в следующем.

Пусть на систему спинов действует короткий высокочастотный им­ пульс. Через время т включается второй высокочастотный импульс. Через время т после включения второго высокочастотного импульса (а значит, через время 2т с момента включения первого импульса) по­ является сигнал ядерной индукции. Величина сигнала зависит от ин­ тервала т и характеристик исследуемого вещества: для того чтобы сиг­ нал вообще наблюдался, необходимо иметь время т значительно мень­ ше всех времен релаксации спиновой системы (7\, Т2).

Эффект спинового эха легко понять на основе классической тео­ рии движения магнитного момента в магнитном поле (см. § 2.11). Вве­ дем, как это сделано там, неподвижную систему координат х, у, г и вра­ щающуюся вокруг оси 2 с ларморовской частотой (оо0 = уН0) систе­ му координат х',у',г'. Пусть оси г и г ' совпадают и постоянное магнит­ ное поле Н0 направлено вдоль этой общей оси. В момент, предшеству­ ющий включению первого высокочастотного импульса, вектор намаг­

109

нат по оси у', то при выполнении условия резонанса вектор намагни­ ченности начинает прегрессировать вокруг оси у' с частотой % = уНг, определяемой амплитудой Нх высокочастотного поля. Один из момен­ тов прецессии показан на'рис. 3.6, б. Длительность включения высоко­ частотного поля 4 определяется условием со^ = у (так называемый 90°-ный импульс).

z

Рис. 3.6. Интерпретация явления спинового эха:

В результате действия импульса вектор намагниченности повора­ чивается на 90° вокруг оси у' и оказывается направленным вдоль оси л:' (рис. 3.6, в). В этот момент импульс высокочастотного поля выключается и вектор намагниченности начинает свободно прецессировать во­ круг направления постоянного магнитного поля Но (ось z — z').

Если эта прецессия происходит в неоднородном магнитном поле (речь, конечно, идет о том, что разные спины, спин-системы находятся в разных локальных полях), то скорость прецессии разных спинов различна и через некоторое время направления магнитных моментов

110

Исторически впервые для наблюдения спинового эха были приме­ нены два 90°-ных импульса, но сейчас обычно второй импульс 180°-ный.

На рис. 3.7 показана последовательность сигналов «эха», получен­ ных от протонов в обычной воде.

§ 3.11. Применение ЭПР и ЯМР

Методы ЭПР и ЯМР используются для решения ряда проблем. Можно, правда довольно условно, выделить здесь проблему определе­ ния физических и химических параметров вещества и ряд вопросов прикладного характера. Все эти приложения собраны в табл. 3.1.

Одна из важнейших задач ЭПР и ЯМР заключается в измерении времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации в веществе. Су­ ществует несколько методов таких измерений, но мы остановимся только на двух из них.

Т А Б Л И Ц А 3. I

112